“攻城狮”实用指南之Linux CPU性能优化

软件“攻城狮”在做应用程序开发时，往往都绕不开一个话题，那就是性能优化。无论是初入职场的小菜鸟，还是摸爬 滚打多年的程序高手，面对程序的性能优化问题，经常还是感到头疼无比。实际上，性能优化一直都是大多数软件工程师头上的“紧箍咒”。

1. 为什么要了解 Linux 性能优化？

很多工程师在工作中可能有遇到过以下类似的经历，有过下面的疑惑：

• 应用服务器 CPU 使用率过高告警，登录服务器之后使用 top 查看系统资源信息，确认问题存在后，却无法进一步定位原因，是系统 CPU 资源太少？还是程序并发编写有 bug?
• 应用程序上线前进行性能测试，请求并发上去之后，CPU 和内存使用率却无法上升，只有响应时间在持续增 长，问题出现在什么地方，如何定位？
• 应用程序运行明明限制了运行使用最大内存，为什么操作系统内存使用率持续上升？到底是哪里占用了内存？

目前行内系统，无论是前端应用还是后端应用，无论是单体服务还是微服务，包括数据持久化使用到的数据库和文件 系统，均运行在 Linux 操作系统上。因此我们在开展性能优化的工作时，linux 相关性能优化工作就是重中之重了。

另外，Linux 性能优化同时是最能体现工程师综合能力的技能之一，因为它涵盖了包括程序设计、编程语言、操作系 统、再到存储、网络等方方面面的各种知识储备。了解甚至掌握 Linux 性能优化对提升个人能力大有裨益，如果能够 将性能优化的各个关键点吃透，无疑就能被称为一个非常优秀的软件“攻城狮”了。

2. Linux CPU 性能优化基础

本篇文章主要针对 CPU 的性能优化相关知识进行展开学习：

2.1 CPU 常用性能指标说明

• CPU 使用率
• CPU 使用率表明了 CPU 运行的非空闲时间时间片占 CPU 总时间的百分比，根据 CPU 上运行任务的不同，还被划分为用户 CPU 使用率（CPU 在用户态运行的时间百分比）、系统 CPU 使用率（CPU 在内核态运行的时间百分比， 但不包含中断响应）、等待 IO 的 CPU 使用率（也称为 iowait，表示等待 I/O 的时间百分比）、软中断和硬中断的 CPU 使用率（内核调用软中断处理程序、硬中断处理程序的时间百分比）。
• 平均负载
• 平均负载代表了系统的整体负载情况，其本质是系统的平均活跃进程数。因此理想情况下，平均负载应该等于系统的逻辑 CPU 个数，表明这时恰好所有的 CPU 都被充分利用到了。
• 进程上下文切换
• CPU 在进行不同的任务调度的时候需要进行上下文切换，过多的上下文切换会导致 CPU 运行时间过度消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，从而导致进程运行时间缩短。进程的上下文切换包含 2 种场景：
• 无法获取资源而导致的自愿上下文切换；
• 被系统强制调度导致的非自愿上下文切换；
• CPU 缓存命中率
• CPU 缓存是在 CPU 上存储的部分热点内存数据，为的是解决 CPU 和内存之间速度匹配问题，CPU 缓存的命中率表明了 CPU 缓存数据的复用情况，命中率越高，表示性能越好。

2.2 CPU 常用性能工具汇总

• 根据指标快查工具

• 根据工具查看指标

3. 常用 CPU 优化套路

3.1 CPU 资源分析思维导图

3.2 CPU 优化思路

• 第一，从 CPU 使用的角度来说，简化代码、优化算法、异步处理以及编译器优化等，都是常用的降低 CPU 使用率的方法，这样可以利用有限的 CPU 处理更多的请求。
• 第二，从数据访问的角度来说，使用缓存、写时复制、增加 I/O 尺寸等，都是常用的减少磁盘 I/O 的方法，这样可以获得更快的数据处理速度。
• 第三，从进程的工作模型来说，异步处理、多线程或多进程等，可以充分利用每一个 CPU 的处理能力，从而提高应用程序的吞吐能力。

除此之外，还可以使用消息队列、CDN、负载均衡等各种方法，来优化应用程序的架构，将原来单机要承担的任务， 调度到多台服务器中并行处理。这样也往往能获得更好的整体性能。

4. 写在最后

想要学好性能分析和优化，最重要的核心思想是要建立整体系统性能的全局观。因而需要我们能够做到：

1. 理解最基本的一些操作系统原理；
2. 掌握必要的性能工具；
3. 能够根据不同的问题场景，恰当地选择合适的组件；

但是需要切记，不能把性能工具当做学习的全部。工具只是解决问题的手段，关键在于怎么用，只有了解它们背后的原理，结合具体场景，融会系统的不同组件，才算真正掌握了它们。

分享两个学习技巧：

技巧一：虽然系统的原理很重要，但在刚开始一定不要试图抓住所有的实现细节。

深陷到系统实现的内部，可能会让你丢掉学习的重点，而且繁杂的实现逻辑，很可能会打退你学习的积极性。所以，一定要适度。

技巧二：边学边实践，通过大量的案例演习掌握 Linux 性能的分析和优化。

知识的掌握，特别是实践类姿势的掌握，仅仅依靠看是万万不可能形成长久记忆的，只有通过在机器上“真枪实弹”的场景练习，才能让知识内化为自己的财富。

本文转载自原银科技

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参考资料

1. 极客时间:倪朋飞《Linux 性能优化实战》